智能變電站過程層組網(wǎng)方案分析

李佳懿 陳文明

摘要：過程層作為智能變電站3層結(jié)構(gòu)的最底層，涉及變電站一次設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，如數(shù)據(jù)采集和保護(hù)跳閘等，過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性在很大程度上決定了變電站全站運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，意義重大。本文重點(diǎn)就是對(duì)過程層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方案進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：智能 變電站 過程層 組網(wǎng)

隨著技術(shù)的不斷成熟，智能變電站中越來越多地采取將過程層 SV 網(wǎng)和 GOOSE 網(wǎng)合二為一， SV與 GOOSE 組播報(bào)文共網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?。考慮到 SV 組播報(bào)文數(shù)據(jù)量大、占用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源多以及 GOOSE 組播報(bào)文數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，在智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)中需要對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類導(dǎo)向及流量控制，以滿足智能變電站對(duì)信息實(shí)時(shí)性和高效性的要求。 支持 IEEE 802.1Q 的虛擬局域網(wǎng)（ VLAN ）技術(shù) 可實(shí)現(xiàn)智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的精確控制，使整個(gè)站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的每個(gè)端口都只發(fā)送必要的組播報(bào)文，同時(shí)與交換機(jī)端口相連的終端設(shè)備也只接收其所需的組播報(bào)文，有效解決了傳統(tǒng)共享式組播傳輸方式造成的網(wǎng)絡(luò)沖突加劇、智能終端設(shè)備組播誤收增加的問題，在智能變電站過程層組網(wǎng)方案中得到了廣泛應(yīng)用。 但對(duì)于采用網(wǎng)絡(luò)采樣的網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀以及故障錄波裝置而言 ，其需要接收過程層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃?SV 和GOOSE 組播報(bào)文。 當(dāng)智能變電站規(guī)模較大時(shí)，將導(dǎo)致站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量激增，有時(shí)甚至?xí)咏虺鼍W(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀以及故障錄波裝置的百兆以太網(wǎng)光口容量，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)妮d波沖突、延遲抖動(dòng)加劇，甚至出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。目前，已有學(xué)者針對(duì)此問題展開了相關(guān)研究。 提出通過將百兆以太網(wǎng)交換機(jī)更換為千兆以太網(wǎng)交換機(jī)來降低網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的負(fù)載率，提高實(shí)時(shí)性和可靠性，但是這將導(dǎo)致投資成本大幅上升。 此外，當(dāng)采用此種方案時(shí)，與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接口的大量智能終端設(shè)備的相應(yīng)光接口也須升級(jí)更換為千兆光口，這也將導(dǎo)致投資成本大幅增加。

1 智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹饕Y(jié)構(gòu)有總線形網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)以及星形網(wǎng)絡(luò)等。其中，總線形網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)延遲較高，安裝成本低，但是其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性最低;環(huán)形網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較高，安裝成本最高，但是運(yùn)行方面的可靠性和穩(wěn)定性較高;相對(duì)以上兩種結(jié)構(gòu)而言，星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)總體優(yōu)點(diǎn)比較突出，雖然其運(yùn)行中的可靠性和穩(wěn)定性不高，但是網(wǎng)絡(luò)延遲比以上兩種結(jié)構(gòu)小，安裝運(yùn)行成本也不高。這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)能有效提高變電站的整體性能，同時(shí)也極大程度降低了工程造價(jià)，使相關(guān)建設(shè)單位的經(jīng)濟(jì)消息最大化。

2 智能變電站過程層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化采樣、實(shí)現(xiàn) GOOSE 網(wǎng)，是智能變電站過程層通信的主要內(nèi)容。電子式互感器和合并單元的使用即為數(shù)字化采樣，而實(shí)現(xiàn) GOOSE 可以理解為智能操作箱或智能開關(guān)的使用。由此可知，過程層組網(wǎng)與全站的數(shù)據(jù)源以及開關(guān)控制有著密切聯(lián)系。因此，對(duì)全站的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性有重要影響。加強(qiáng)對(duì)組網(wǎng)方式的討論，選擇可靠安全、經(jīng)濟(jì)適用的組網(wǎng)方式，確保全站安全、穩(wěn)定地運(yùn)行很有必要。下面主要分析目前主要的幾種組網(wǎng)方式。

2.1 GOOSE 直連與 MSV 直連（網(wǎng)絡(luò)連接方式）

GOOSE 直連與 MSV 直連的網(wǎng)絡(luò)連接方式，與傳統(tǒng)的變電站電纜連接方式十分相似，最大的差別就是當(dāng)前的MSV 直連方式是以 MSV 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與跳閘點(diǎn)對(duì)點(diǎn)類似設(shè)備直連的形式連接，也就是將直連全部更換為光纜連接，連接過程中不需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。雖然這種網(wǎng)絡(luò)連接方式需要使用能同時(shí)提供多個(gè)網(wǎng)絡(luò)電接口或光接口的電子設(shè)備，一定程度增加了所需成本，對(duì)光纜的需求量也較大，設(shè)備極易發(fā)熱且熱量極大，也無法進(jìn)行采樣值數(shù)據(jù)的共享，但是這種方式為變電站穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸提供了保障。如果將智能操作箱或者合并單元徹底下放至一次設(shè)備，該方法還可以應(yīng)用。但是，如果選擇幾種配置，將會(huì)增加光纜的連接數(shù)量，該方案就沒有實(shí)用性。

2.2 MSV 組網(wǎng)與 GOOSE 直連

MSV 組網(wǎng)與 GOOSE 直連的組網(wǎng)方案可以為 MSV 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享提供幫助，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

在數(shù)字化變電站的建設(shè)初期，GOOSE 網(wǎng)跳閘的可靠性和穩(wěn)定運(yùn)行性還沒有得到人們的重視和廣泛運(yùn)用。這時(shí)期，電子式互感器的應(yīng)用成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的主要方式，而 MSV 數(shù)據(jù)網(wǎng)的構(gòu)建受到社會(huì)各界相關(guān)人士的廣泛關(guān)注，并有少數(shù)人對(duì)其進(jìn)行了深入研究，逐漸形成了 MSV 組網(wǎng)與 GOOSE 直連的組網(wǎng)方式。

2.3 GOOSE 組網(wǎng)與 MSV 組網(wǎng)

GOOSE 組網(wǎng)與 MSV 組網(wǎng)的連接方式完全能夠達(dá)到過程層網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

GOOSE 組網(wǎng)與 MSV 組網(wǎng)方式可以使過程層 MSV 組網(wǎng)共享全站數(shù)據(jù)以及 GOOSE 組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)跳閘的目的，因此這種組網(wǎng)方式與變電站自動(dòng)化發(fā)展方向相吻合，同樣適用于智能變電站建設(shè)。但是，該方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)交換機(jī)質(zhì)量、性能及數(shù)量的要求較高，特別是雙重化冗余配置方式的需求量會(huì)明顯增加，導(dǎo)致投資成本顯著提升。因此，當(dāng)前采用此方式的變電站投資都比較大，而全站二次設(shè)備的花費(fèi)都在交換機(jī)的購(gòu)置上。

3 過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文過濾

3.1 MVLAN

對(duì)于 GOOSE 組網(wǎng)和 MSV 組網(wǎng)方式，為了能夠降低交換機(jī)各個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文量，減緩網(wǎng)絡(luò)擁堵程度，達(dá)到提高報(bào)文傳輸?shù)目煽啃院托实哪康?，必須先進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)備VLAN 劃分。VLAN 技術(shù)是目前在數(shù)字化變電站中應(yīng)用最廣泛的報(bào)文過濾技術(shù)，其不設(shè)計(jì)設(shè)備本身，只需對(duì)交換機(jī)進(jìn)行配置。但是，該方式對(duì)交換機(jī)的配置相當(dāng)繁瑣，會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、施工復(fù)雜性。同時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一調(diào)整，就必須進(jìn)行 VLAN 重新劃分。

3.2 GMRP 的應(yīng)用

GMRP 是基于 GARP 的多播注冊(cè)協(xié)議，主要用于交換機(jī)維護(hù)中的多播注冊(cè)信息。該信息交換機(jī)制保障了同一交換網(wǎng)絡(luò)中所有支持 GMRP 的設(shè)備維護(hù)一致性。與 VLAN比較，GMRP 不需要對(duì)交換機(jī)進(jìn)行復(fù)雜配置，僅要求交換機(jī)具備支持 GMRP 功能，有利于變電站的擴(kuò)建、改建，能夠顯著降低運(yùn)行維護(hù)的難度。

4 結(jié)語

綜上所述，過程層組網(wǎng)方案的選擇對(duì)智能變電站的運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性有重要影響。本文簡(jiǎn)單分析幾種組網(wǎng)方案，并對(duì)其利弊進(jìn)行對(duì)比分析，希望能夠?yàn)榻窈笾悄茏冸娬窘ㄔO(shè)，特別是過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙家慶，錢科軍，俞瑜，等.智能變電站采樣值組網(wǎng)分布式同步技術(shù)及應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2014，（9）：154-158.

（作者單位：國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司）